高动态低信噪比下扩频信号捕获算法研究

方 科

（中国电子科技集团公司第十研究所，四川成都 610036）

高动态低信噪比下扩频信号捕获算法研究

方 科

（中国电子科技集团公司第十研究所，四川成都 610036）

分析了高动态对扩频信号捕获的影响因素，针对低信噪比、高动态的双重条件对捕获时间的严格要求，提出了一种基于二次捕获的高动态低信噪比下扩频信号快速捕获方法，能够缩短捕获时间，快速进行扩频伪码相位、载波多普勒频率以及载波多普勒频率变化率的捕获。

扩频;高动态;二次捕获

【本文献信息】方科.高动态低信噪比下扩频信号捕获算法研究［J］.电视技术，2013，37（13）.

高动态环境下，载体的飞行速度、加速度等高机动特性将导致接收信号发生较大的载波多普勒频偏、载波多普勒频偏变化率甚至伪码频偏［1］。目前高动态下扩频信号捕获一般通过对载波频率进行分槽来实现整个多普勒频偏范围内的搜索过程，当信噪比低、动态范围大时，捕获时间就会被极大地增加，如果信号的多普勒变化率大到一定程度后，一轮搜索完成后实际信号的频偏和码相位已经发生很大改变，捕获结果失去意义而导致捕获失败。针对这个问题，本文提出了一种基于二次捕获的高动态低信噪比下扩频信号快速捕获方法，该方法在低信噪比、高动态范围的双重条件下，能够提高捕获时间，快速进行扩频伪码相位、载波多普勒频率以及载波多普勒频率变化率的捕获。

1 高动态对扩频捕获的影响

扩频信号捕获一般通过相关运算实现，忽略信息数据的跳变和噪声信号影响，在相关积分的一小段时间内，假定ωd为常数，并忽略对相关结果贡献很小的伪码未对准部分，I路和Q路信号的相关输出［2－3］可表示为

图1 码频频偏对相关峰值的影响

图2 载波频偏对相关峰值的影响

1）载波频偏造成接收伪码和本地伪码产生相干积累损耗，引起捕获性能降低。

2）伪码频偏除了因相关函数产生如相关峰展开、峰值移位等形变［4］而造成相关处理损耗外，还会使伪码时钟发生抖动，影响伪码相位的捕获。

3）载波和伪码频偏损耗使得伪码相关峰无法一直随相关积分时间增加而变大，即高动态条件下伪码捕获相关积分时间并非越长越好，需要折中考虑。

4）多普勒变化率的存在使得一次捕获后伪码相位和载波多普勒频偏估计精度不足，必须改变捕获策略，采取二次捕获。

5）高动态条件下的捕获输出结果，除了传统的伪码相位和载波多普勒频偏之外，载波多普勒频率变化率也是十分重要的参数结果。

2 频域（载波）并行的高动态捕获算法

2.1 典型的频域（载波）并行多通道捕获算法

频域（载波）并行多通道捕获基本思路如下:首先根据多普勒频偏的最大范围，把捕获的频域搜索范围平均分为若干频率区间，各中心频率点设为fn（n=1，2，…，G），如图3所示。将各个通道频率点fn上的最大相关值进行采集、比较，选择其中最大值，对应的通道即为当前捕获通道。

图3 频率区间划分示意图

目前扩频信号捕获一般采用前级分段部分相关、后级FFT的方法，通过采用频域（载波）并行多通道捕获，可以在高动态环境下快速获取多普勒频移信息，以达到缩短捕获时间的目的，实质是利用硬件资源的并行能力来提高捕获时间。典型的频域（载波）并行多通道捕获流程如图4所示。

图4 典型频域（载波）并行多通道捕获流程图

2.2 算法改进

高动态条件下载波多普勒频偏范围和多普勒频率变化率都很大，因此捕获时间是关键。图4所示的典型捕获结构受限于硬件资源，不可能无限拓展和增加并行通道数目来提高捕获时间。如果信号的多普勒变化率大到一定程度后，一轮搜索完成时实际信号的频偏和码相位已经发生很大改变，捕获结果失去意义而必须构造新一轮的搜索进程。本文通过对典型频域（载波）并行多通道捕获流程做改动，在不增加硬件资源消耗的前提下，提高了捕获时间，同时增加二次捕获的过程，依据一次捕获得到的多普勒频偏预估计值，构造该频点附近小范围的二次捕获，避免大多普勒变化率带来的捕获失效影响，如图5所示。

图5 改进后的频域（载波）并行多通道捕获流程图

改进后的捕获算法做了以下4方面的改动:

1）典型的捕获流程在下变频的同时完成载波多普勒补偿，并对数据进行2倍码时钟的降采样处理，不同的频率槽降采样的速率是不同的，因此对于不同的频率槽需要进行不同的数据采样和存储。改进后将输入信号下变频到零中频，并对数据进行标准2倍码时钟的降采样处理和存储，把多普勒频率补偿模块移到部分相关前，后续的频率槽搜索全部利用该采样存储数据，这样可以避免对数据进行反复采样，一次捕获只做一次数据采样，从而节省采样时间。

2）降采样率补偿转移到接收端的PN码上进行，本地PN码按照不同的频率槽降采样的速率预先生成不同的PN序列并存储，不同的频率槽做相关时选取对应的PN序列。

3）利用第一次捕获得到的多普勒频偏结果，加上左右相邻几个频率槽构成新一轮的捕获频偏搜索范围，重新启动并行多通道捕获流程。

4）利用前后两次捕获得到的多普勒频偏估计结果差值和二次捕获耗费的捕获时间，计算得到多普勒变化率估计值，同时该变化率估计值也能修正最终输出的多普勒频偏。

3 算法仿真、实现及验证

系统环境参数为:以扩频码速率B=10.23 Mbit/s、码长L=1 023、多普勒范围±1 MHz、最大多普勒变化率±200 kHz/s、硬件资源最大支持10路并行为例，评估算法的效果。算法的MATLAB仿真结果如图6所示。

图6 改进后的频域（载波）并行多通道捕获流程图

算法实现时选取前级分段部分相关点数N=256，后级FFT点数M=2 048，第一级相关积分时间为T=N/（2B）≈12.5 μs，根据相关积分时间与载波多普勒分辨范围的关系T≤1/4（Δfd），可得多普勒分辨范围Δfd≤±20 kHz。对于±1 MHz的载波多普勒频偏范围，如果按±17 kHz为一个频率槽宽带，共需要划分60个频率槽。

算法完成一次捕获的时间可分为两个部分:数据采样时间Ts和捕获算法处理时间Tp［5］。

数据采样时间为

捕获处理时间为

硬件资源最大支持10路并行，完成60个频率槽搜索需要顺序6次，因此算法总的捕获时间为

表1是改进前后两种方法的捕获时间对比情况，可以看出改进后的方法能够有效缩短捕获时间。

表1 两种方法的捕获时间对比

在一轮捕获完成后，最恶劣情况下多普勒变化率导致的频偏改变值为

这明显超出了后续载波跟踪环的捕获范围，还需要再进行二次捕获才能得到比较准确的载波多普勒频偏值，同时利用前后两次捕获得到的多普勒频偏估计结果差值和二次捕获耗费的捕获时间，计算得到多普勒变化率估计值。二次捕获时间由式（3）和式（4）可得，仅需68 ms。

本算法已在高动态扩频接收机硬件电路上进行了实际应用和测试，其可靠性和正确性得到验证。表2给出了算法的实测结果，可以看出二次捕获对于获得多普勒频率变化率和提高多普勒频偏估计精度产生了重要作用。

表2 算法的实测结果

4 结论

对于高动态低信噪比下的扩频信号捕获，提高捕获时间是关键。本文提出的方法只做一次数据采样存储完成后续全部频率分槽的搜索，能够有效提高捕获时间。二次捕获过程的加入能够在大多普勒变化率条件下快速完成捕获，并同时得到多普勒频率变化率的估算，有效提高多普勒频偏估计精度。该算法经工程验证完全满足高动态低信噪比下的扩频信号捕获要求，特别适用于大动态下扩频信号的捕获。

:

［1］黄烈超，张天骐，谭方青，等.高动态多进制扩频信号的载波跟踪技术研究［J］.电视技术，2012，36（3）:114－117.

［2］王立冬，胡卫东，郁文贤.时延—多普勒频移对伪码捕获影响的性能分析［J］.系统工程与电子技术，2001（6）:79－86.

［3］徐晓艳，李署坚，邵定蓉，等.高动态环境下扩频通信系统信号快速捕获的研究［J］.遥测遥控，2005，26（2）:22－27.

［4］李春霞.高动态条件下伪码相关特性及其应用研究［D］.长沙:国防科学技术大学，2007.

［5］张波.大动态下扩频码捕获的一种改进方法［J］.电讯技术，2013，53（3）:293－296.

Research on Acquisition Algorithm of Spread Spectrum Signal in Low－SNR and High Dynamic Circumstances

FANG Ke

（China Electronics Technology Group Corporation No.10 Research Institute，Chengdu 610036，China）

The impact factor about acquisition of spread spectrum signal in high dynamic is analyzed.A fast acquisition method based on double acquisition is presented especially for the strict demand on acquisition time in low－SNR and high dynamic.It can shorten the capture time and get PN－code phase，carrier Doppler frequency and carrier Doppler frequency change rate.

spread spectrum;high dynamic;double acquisition

TN914.4

A

方 科（1979— ），硕士，工程师，主研扩频信号捕获。

责任编辑:薛 京

2013－04－12